基于高層建筑框架-剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

顧媛媛

摘要：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是高層設(shè)計(jì)的首選結(jié)構(gòu)，需要經(jīng)過精密的計(jì)算、合理的判斷，同時要考慮其受力情況及抗震功能，確保高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性。本文則重點(diǎn)探討其框架—剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：高層建筑；框架-剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

中圖分類號：TB482.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-3520（2014）-06-00271-02框架-剪力墻就是高層建筑為了規(guī)避地震災(zāi)害而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框架，這種框架結(jié)構(gòu)體系是由兩個不同的系統(tǒng)組成的，他們分別是剪力墻和延性框架，而且由延性較好的結(jié)構(gòu)框架連接而成。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)的單純框架結(jié)構(gòu)更加靈活多變，因而被廣泛應(yīng)用于建筑施工中。下面首先分析框架-剪力墻的結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)，然后分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以望對后期的框架——剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提供理論參考依據(jù)。

一、框架-剪力墻的結(jié)構(gòu)及受力分析

（一）框架、剪力墻的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)?？蚣?剪力墻的結(jié)構(gòu)組成是不是單一的結(jié)構(gòu)形式，它是由框架和剪力墻兩種不同的結(jié)構(gòu)組合而成，框架和剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)是不一樣的。在水平力作用下，框架的受力比較大，框架在受到一定的抗側(cè)力時賄變形，此時形狀類似剪切行，這種剪切型的框架在地震受力中所承受的力量是：樓層高度和水平位移增長成反比的關(guān)系；而在純框架結(jié)構(gòu)中，在收到抗側(cè)力時，各個框架的變形結(jié)構(gòu)幾乎相似，樓層剪力與框架剪力墻的建立相差很遠(yuǎn)。剪力墻在水平力的作用下，受到抗側(cè)力時變形曲線呈現(xiàn)彎曲的形態(tài)，此時樓層越高水平位移增長越快。

（二）框架-剪力墻的抗震性能。在高層建筑中抗震設(shè)計(jì)一般要遵隨：“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計(jì)原則，在發(fā)生震級比較小的地震時，建筑物可以正常使用；當(dāng)發(fā)生中級地震時，建筑物有部分損害，但損害較小，可以修復(fù)，不影響正常使用；當(dāng)發(fā)生重大地震時，保證建筑物不塌陷。一般地震的破壞力是多方方向性的，所以建筑物在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時要在各個方向布置抗側(cè)力構(gòu)件，以便抵抗水平荷載，保證結(jié)構(gòu)的承載力，增加建筑物的抗震性。在框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻是結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件，如果剪力墻只在一個方向布置，則會造成沒有剪力墻的方向抗側(cè)力剛度不足，這樣就不是框剪結(jié)構(gòu)了，成為純框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只有單一防線，失去了多道防線的作用。所以在高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中，把抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成雙向抗側(cè)力的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

（三）框架-剪力墻的受力分析?？蚣?剪力墻的受力不同于純框架中的受力特點(diǎn)，在框剪結(jié)構(gòu)受力過程中剪力墻所承受的剪力比框架所承受的要大得多?？蚣芎图袅Φ呢?fù)載是不斷移動的，所以在計(jì)算框架和剪力墻之間的樓層分配比例時要注意，框剪結(jié)構(gòu)中的樓層分配比例與框架各樓層剪力分布情況均是隨著樓層的變化而變化的。一般情況下，在框剪結(jié)構(gòu)中，剪力控制部位在房屋高度的中上部，而在純框架結(jié)構(gòu)中，其最大建立在底部。所以在該層建筑實(shí)際布局中有剪力墻的情況下，設(shè)計(jì)分析時要按照框剪結(jié)構(gòu)布局來分析，充分考慮框架、剪力墻的多種性能特點(diǎn)。

（四）剪力墻的計(jì)算方式。在高層建筑的框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻所承受的豎向荷載，一般是通過樓面?zhèn)鬟f到剪力墻上。豎向荷載在連梁內(nèi)和墻肢內(nèi)產(chǎn)生的軸力不同。一般按照剪力墻的受荷面積進(jìn)行簡單計(jì)算，在水平力作用下，用二維平面分析剪力墻受力問題，同時運(yùn)用平面問題求解。結(jié)合計(jì)算機(jī)，利用有限元方法計(jì)算。在工程設(shè)計(jì)中，依據(jù)具體情況進(jìn)行分別設(shè)計(jì)。

二、框架-剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）科學(xué)計(jì)算框剪結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時，在水平力的推動下，框結(jié)構(gòu)的使用高度和設(shè)計(jì)方法要結(jié)合此高層建筑底層框架所承受的地震傾覆力矩和結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩之間的的比值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型和分析都要按實(shí)際情況輸入、分析。剪力墻的布局要均勻，長度較長的剪力墻設(shè)置在洞口和連梁形成雙肢墻或多肢墻，框架在地震中所承受的地震傾覆力矩≤10％﹙結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的10％﹚時，此時按剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；當(dāng)框架在地震中所承受的地震傾覆力矩在（10％-50％）之間時，就應(yīng)該按框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；當(dāng)框架在地震中所承受的地震傾覆力矩在（50％-80％）之間時，也按框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),但是需要注意的是此時框架的最大適用高度可以在框架結(jié)構(gòu)中適度增加，抗震等級和軸壓比限值和框架結(jié)構(gòu)的規(guī)定一樣。當(dāng)框架在地震中所承受的地震傾覆力矩大于80％時，同樣按框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其最大適用高度、框架部分的抗震等級、軸壓比限值等，和框架承受的地震傾覆力矩在50％-80％之間時是一樣的，但是像墻少的框剪結(jié)構(gòu)，因?yàn)榭拐鹦阅懿缓?，在?shí)際高層建筑中很少采用。

（二）合理調(diào)整0.2V0系數(shù)。一般情況下，在框剪結(jié)構(gòu)中，框架承受的剪力是很小的，而且在此機(jī)構(gòu)中防線設(shè)計(jì)比較多。其中，剪力墻是第一道防線，在設(shè)防地震、罕見地震下框架受損要快，由于塑性內(nèi)力重分布，框架部分按側(cè)向剛度分配的剪力會比多遇地震下加大，為了保證作為第二道防線的框架具有一定的能力儲備，規(guī)范要求人為的將計(jì)算出的柱子剪力放大。

（三）設(shè)計(jì)剪力墻截面高度。剪力墻的的截面厚度要盡量減小，據(jù)了解，剪力墻越厚，框架的負(fù)擔(dān)就越重，必須有相應(yīng)的抗側(cè)力剛度來承載它的重量。如果剪力墻部分的抗側(cè)力剛度增加而框架部分的抗側(cè)力剛度沒有相應(yīng)的增加，這時增加剪力墻增加的水平力只能由框架單獨(dú)承受，這種結(jié)構(gòu)影響工程的抗震能力。

（四）合理布置框架及剪力墻。在高層建筑中，框剪結(jié)構(gòu)體系的抗震功能的發(fā)揮需要框架和剪力墻二者相互協(xié)調(diào)，才能發(fā)揮更好的作用，所以要做好框架與剪力墻的合理布局就顯得非常重要。在設(shè)計(jì)框架及剪力墻時應(yīng)滿足以下條件：首先，應(yīng)將其設(shè)計(jì)為雙向抗力體系，其主體結(jié)構(gòu)不適宜采用鉸接方式，而是按照兩主軸的方向布置剪力墻。其次，剪力墻應(yīng)設(shè)計(jì)成周邊有梁柱的帶邊框剪力墻，同時增大其剛度及抗扭能力。最后，剪力墻應(yīng)貫穿建筑物全高，其厚度應(yīng)逐漸減薄，以防剪力墻的結(jié)構(gòu)發(fā)生突變性。

（五）框剪結(jié)構(gòu)的連梁截面具有承載力。剪力墻作為抗震防線中的先鋒，若果連梁跨高比太大，容易成為弱連梁，一旦發(fā)生地震，連梁端容易引起開裂現(xiàn)象，就會減弱其抗震性能。因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)合理控制一、二級剪力墻的洞口連梁跨高度，應(yīng)小于5,且梁截面高度應(yīng)超過400mm，連梁設(shè)計(jì)不能用框架柱與剪力墻平面外相連的梁，并與剪力墻相交支座按鉸接設(shè)計(jì)?？绺弑刃∮?的連梁，其剛度折減系數(shù)不小于0.5。

三、結(jié)束語

在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為了增加建筑物的抗震強(qiáng)度，采用的是多道防線設(shè)計(jì)概念，利用剪力墻做第一道防線，在此基礎(chǔ)上增加框架的防震強(qiáng)度。合剪力墻的數(shù)量與結(jié)構(gòu)應(yīng)合理布局，利用簡便的計(jì)算方式，結(jié)合框架、剪力墻的協(xié)調(diào)關(guān)系，構(gòu)建合理科學(xué)、安全、經(jīng)濟(jì)的工程設(shè)計(jì)。

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